地平面對GP天線性能的影響

陳明清 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢

地平面對GP天線性能的影響

陳明清 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢

1/4 波長的垂直GP天線廣泛用于中波廣播以及移動無線電通訊等領(lǐng)域。GP天線即地網(wǎng)天線英文全稱為Ground Plane antenna 可知地網(wǎng)是GP天線的組成部分，地網(wǎng)的性質(zhì)會對GP天線產(chǎn)生非常重要的影響。本文借助仿真軟件HFSS分析了地網(wǎng)的大小形狀材料對GP天線阻抗，共振頻率，增益，方向圖等天線主要參數(shù)的影響。這些結(jié)果將為GP天線在有限地平面中的設(shè)計提供理論支持。

1/4 波長GP天線；HFSS；地網(wǎng)

quarter wave GP antenna HFSS ground plane

引言

關(guān)于地平面對于天線性質(zhì)的影響最早源于1969年Meier的有限平面對于天線阻抗影響的文章[1]。之后又有一些研究進展[2-4]，但是由于技術(shù)的限制，這些工作只能根據(jù)一些實測數(shù)據(jù)進行定性的分析?，F(xiàn)在由于計算機技術(shù)的發(fā)展，我們可以借助仿真軟件對其進行全面系統(tǒng)的分析。根據(jù)鏡像理論可知當PEC[5]作為反射材料，反射波相對于入射波存在180度的相位變化。 當PEC附近存在輻射源時，它的表面會產(chǎn)生表面波。理論分析中假定的是無限大的pec平面，而實際為一有限的導(dǎo)體平面，這將對天線性能產(chǎn)生影響。

1.地面半徑大小對于GP天線性能的影響

圖1 不同地面半徑的GP天線的E面和H面方向圖

下面的實測數(shù)據(jù)中我們以直徑 為基準給出了0.75 D,0.5 D，0.25D,0.125D,0.0625D,0.03125D為地面直徑的GP天線各參數(shù)的仿真結(jié)果，圖1分別給出了不同直徑的GP天線的E面和H面方向圖。從圖中可以看出，隨著半徑的變化，GP天線的方向圖基本重合，圖2給出了不同半徑下GP天線的增益，輸入阻抗以及諧振頻率的變化。

圖2 GP天線各參數(shù)隨地面半徑的變化

從圖中可以看出，隨著半徑的減小，GP天線的輸入阻抗當電抗部分為0時的電阻大小逐漸增大，當半徑減小到與GP天線的橫向半徑同一數(shù)量級時，我們發(fā)現(xiàn)此時將不能得到電抗為0的頻率點而只能得到極小值點?？芍S著半徑的減小，阻抗變大，回波損耗S11也將隨著變大，此時會對天線的匹配產(chǎn)生較大影響。而天線的增益可知基本沒有太大的變化，所以只要地平面保持球?qū)ΨQ則GP天線的增益和方向圖將保持不變。

2.地面形狀對于GP天線性能的影響

如果邊長α>>λ時GP天線如果位于正中間可知此時邊界無論何種形狀將等價于圓形，其對GP天線基本沒有影響。為了驗證地面形狀對于GP天線性能的影響，我們?nèi)×巳鐖D3所示的邊長 的正方形作為地平面，然后將GP天線的中心在正方形的對角線上移動以觀察地面形狀對于GP天線性能的影響。圖4給出了GP天線從中心到邊角15MM的三維方向圖。

圖3 GP天線的三維方向圖

圖4 地面形狀變化的GP天線三維方向圖

從圖中我們可以看出隨著GP天線越靠近端點C天線的輻射方向?qū)⒃郊杏趯蔷€沿A方向，所以地面的形狀將會改變GP輻射方向，如果控制地平面的形狀，我們還可以控制GP天線的輻射方向，實際中可能有所應(yīng)用。另外隨著形狀變化天線的輻射的最大方向不在沿著地平面將會離開接地面，向上傾斜與地面成一定的夾角，越靠近端點，夾角越大。圖5給出了GP天線的輸入阻抗，諧振頻率以及增益隨地面形狀的變化，從圖表中我們可以看出天線的諧振頻率基本不受影響，而輸入阻抗隨著形狀的變化加劇而逐漸增大，而從增益中可以看出增益是先增大后減小可知開始時由于形狀對于GP天線的影響輻射集中于對角線沿A方向，使得GP天線增益增大，而隨著形狀變化加劇，輸入阻抗增大，回波損耗加劇并成為主要影響使得增益減小。

圖5 GP天線各參數(shù)隨形狀的變化

3.地面材料對于GP天線性能的影響

由于地網(wǎng)天線中地網(wǎng)材料一般為銅和鋁，當用在手機和無線通信設(shè)備時用的材料一般采用FR-4，所以我們主要分析這三種材料對于GP天線性能的影響。圖6給出了三種材料的E面和H面方向圖，從圖中可以看出，PEC,Cu以及AL地面的方向圖基本重合，而FR4材料的方向圖的最大輻射方向也是沿地面，但是增益大小明顯減小了。表1給出的是三種材料與PEC地面的增益，諧振頻率以及電抗為0時電阻的比較，同樣可以看出Cu，Al地面與PEC地面的結(jié)果基本一致，而FR4地面使得諧振頻率增大，增益減小，電抗，阻抗也明顯增大嚴重影響了GP天線的工作。所以一般GP天線的地面采用良導(dǎo)體作為地面即可。

圖6 三種材料的E面，H面方向圖

4.結(jié)論

本文借助HFSS仿真軟件分析了地網(wǎng)的大小，形狀，材料對于GP天線性能的影響，從結(jié)論中可以看出：（1）地面大小主要影響輸入阻抗和諧振頻率（2）地面形狀主要影響增益和輻射方向（3）地面材料的影響主要在于諧振頻率，輸入阻抗和增益。所以地網(wǎng)大小、形狀、材料對于GP天線的影響不同。實際應(yīng)用中應(yīng)該針對不同的情況作出相應(yīng)的調(diào)整。使得GP天線方向圖中E面沿地面方向輻射場最強，H面輻射無方向性以保證天線輻射出的信號始終沿地面方向傳播，另外諧振頻率，輸入阻抗以及增益也應(yīng)該在規(guī)定范圍。

[1]Meier, A.S., and Summers, W.P.:‘Measured impedance of verticalantennas and effects of finite ground planes’, Proc. IEEE,1969,37, pp.609–616

[2]Awadalla, K.H., and Maclean, T.S.M.:‘Input impedance of amonopole antenna at the center of a finite ground plane’, IEEE Trans. Antennas Propag.,1978,26, pp.244–248

[3]Weiner, M.M.: ‘Monopole element at the center of a circular ground plane whose radius is small or comparable to a wavelength’, IEEE Trans. Antennas Propag.,1987,35, (5), pp.488–495

[4]Zhi Ning Chen,Terence S. P. See, and Xianming Qing: ‘Small Printed Ultrawideband Antenna With Reduced Ground Plane Effect’, IEEE Trans. Antennas Propag.,2007,55, pp.383–388

[5]http://baike.baidu.com/view/1080834.htm

[6]en.wikipedia.org/wiki/Ground_plane

[7]HFSS User’s Manual, Ansoft.HFSS.V13.0,2010

quarter wave vertical and ground plane antennas are widely used for medium wave broadcasting, mobile radio communications applications and many more。The full name of GP antenna is Ground Plane antenna,so the ground plane is an integral part of the GP antenna and have the great effect on GP antennas applications. In this papper we use the software HFSS to have an analysis about the influence of ground plane geometry on GP antenna’s impedance resonant frequeancy,gain,and radiation.The results may give some theory support on the GP antenna’s design in the finite ground plane.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.018